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什么是默克爾樹(Merkle Tree)？默克爾樹是如何構(gòu)建的？

2023-07-24 10:45:16 | 來源： | 作者：佚名
這篇文章主要介紹了什么是默克爾樹(Merkle Tree)？默克爾樹是如何構(gòu)建的？的相關(guān)資料,需要的朋友可以參考下本文詳細(xì)內(nèi)容介紹

默克爾樹（Merkle Tree）是一種基于哈希的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它是哈希列表的一種推廣。它是一種樹形結(jié)構(gòu)，其中每個葉子節(jié)點是一個數(shù)據(jù)塊的哈希值，每個非葉子節(jié)點是其子節(jié)點的哈希值的哈希。通常，默克爾樹的分支因子為2，也就是說每個節(jié)點最多有2個子節(jié)點。

默克爾樹在計算機科學(xué)和密碼學(xué)中有很多應(yīng)用。在比特幣和其他加密貨幣中，默克爾樹用于更高效和安全地編碼區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)。它們也被稱為“二叉哈希樹”。

默克爾樹的作用是什么？

默克爾樹的主要作用是用于驗證和存儲大量的數(shù)據(jù)。通過使用默克爾樹，我們可以：

  • 有效地計算和比較數(shù)據(jù)的哈希值，而不需要訪問所有的數(shù)據(jù)。
  • 生成一個唯一的標(biāo)識符（默克爾根）來代表整個數(shù)據(jù)集。
  • 證明某個數(shù)據(jù)塊是否屬于某個數(shù)據(jù)集，而不需要提供整個數(shù)據(jù)集。
  • 減少存儲空間和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)拈_銷，因為只需要存儲和傳輸部分的哈希值。

默克爾樹是如何構(gòu)建的？

默克爾樹的構(gòu)建過程如下：

  • 首先，將要存儲或驗證的數(shù)據(jù)分割成固定大小的數(shù)據(jù)塊，并對每個數(shù)據(jù)塊計算一個哈希值。這些哈希值就是默克爾樹的葉子節(jié)點。
  • 然后，將相鄰的兩個葉子節(jié)點的哈希值連接起來，并對這個連接后的字符串再次計算一個哈希值。這個哈希值就是這兩個葉子節(jié)點的父節(jié)點。
  • 重復(fù)上述步驟，直到只剩下一個節(jié)點為止。這個節(jié)點就是默克爾樹的根節(jié)點，也叫做默克爾根（Merkle Root）。
  • 如果在某一層中，節(jié)點的數(shù)量是奇數(shù)，那么就將最后一個節(jié)點復(fù)制一份，并與自己連接起來，再計算一個哈希值作為父節(jié)點。

例如，假設(shè)我們有四個數(shù)據(jù)塊A、B、C、D，它們的哈希值分別為H(A)、H(B)、H©、H(D)。我們可以按照以下步驟構(gòu)建一個默克爾樹：

  • 第一層：將H(A)和H(B)連接起來，并計算H(H(A)+H(B))作為它們的父節(jié)點；將H©和H(D)連接起來，并計算H(H©+H(D))作為它們的父節(jié)點。
  • 第二層：將H(H(A)+H(B))和H(H©+H(D))連接起來，并計算H(H(H(A)+H(B))+H(H©+H(D)))作為它們的父節(jié)點。
  • 第三層：只剩下一個節(jié)點，即為默克爾根。

圖示如下：

默克爾樹是如何使用的？

默克爾樹可以用于以下場景：

  • 在區(qū)塊鏈中，每個區(qū)塊都包含了一組交易數(shù)據(jù)，并且使用一個默克爾樹來表示這些交易數(shù)據(jù)的哈希值。這樣，每個區(qū)塊都可以用一個默克爾根來唯一標(biāo)識，而不需要存儲所有的交易數(shù)據(jù)。同時，如果要驗證某個交易是否屬于某個區(qū)塊，只需要提供該交易的哈希值，以及從該哈希值到默克爾根的路徑上的所有哈希值，就可以通過重復(fù)計算哈希值來證明該交易的存在性。
  • 在分布式文件系統(tǒng)中，每個文件都可以被分割成多個數(shù)據(jù)塊，并且使用一個默克爾樹來表示這些數(shù)據(jù)塊的哈希值。這樣，每個文件都可以用一個默克爾根來唯一標(biāo)識，而不需要存儲所有的數(shù)據(jù)塊。同時，如果要下載或上傳某個數(shù)據(jù)塊，只需要提供該數(shù)據(jù)塊的哈希值，以及從該哈希值到默克爾根的路徑上的所有哈希值，就可以通過重復(fù)計算哈希值來證明該數(shù)據(jù)塊的完整性和一致性。
  • 在版本控制系統(tǒng)中，每個版本都可以包含多個文件或目錄，并且使用一個默克爾樹來表示這些文件或目錄的哈希值。這樣，每個版本都可以用一個默克爾根來唯一標(biāo)識，而不需要存儲所有的文件或目錄。同時，如果要比較或合并兩個版本之間的差異，只需要提供兩個版本的默克爾根，以及從兩個默克爾根到共同祖先節(jié)點的路徑上的所有哈希值，就可以通過重復(fù)計算哈希值來確定兩個版本之間的變化。

結(jié)論

綜上所述，默克爾樹是一種基于哈希的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它是哈希列表的一種推廣。默克爾樹的主要作用是用于驗證和存儲大量的數(shù)據(jù)。默克爾樹的構(gòu)建過程是將數(shù)據(jù)分割成數(shù)據(jù)塊，并對每個數(shù)據(jù)塊計算一個哈希值，然后將相鄰的兩個哈希值連接起來，并對這個連接后的字符串再次計算一個哈希值，直到只剩下一個節(jié)點為止。默克爾樹可以用于區(qū)塊鏈、分布式文件系統(tǒng)、版本控制系統(tǒng)等場景。

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